淺談軟巖隧洞施工技術(shù)

溫定煜, 湛建華, 李 彬

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局,四川 成都 610066)

1 工程及地質(zhì)條件

沙灣水電站位于四川省木里縣境內(nèi)的木里河上,為低閘引水式電站,由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐組成。引水隧洞全長 18 775 m,開挖斷面φ7.2～9.6 m。我局承攬了樁號 11+392～18+696隧洞段的開挖支護(hù)工程,全長 7 300 m,隧洞沿線埋深:查布朗溝段 48 m,其它洞段在 145～590 m之間。

前期進(jìn)行 240°拱冠斷面開挖,底部預(yù)留 2 m,形成出渣路面并保證足夠的路面寬度以方便機械施工。施工洞段的巖體為奧陶系下統(tǒng)人公組(Olr)、瓦廠組(Olw)板巖、千枚巖夾少量變質(zhì)石英砂巖,總體屬軟巖,巖層產(chǎn)狀:N20°～30°W/SW∠15°～50°;主要發(fā)育查布朗斷層(F4)及勘察設(shè)計階段未查明的斷層等,擠壓揉皺強烈,一般中等發(fā)育;地下水主要為構(gòu)造裂隙水及斷層帶水,以滲水、滴水、線狀流水形式溢出,局部涌水。

根據(jù)對已開挖隧洞段地質(zhì)條件進(jìn)行分析整理后得知,圍巖以Ⅳ類為主,斷層帶及涌水段為Ⅴ類。Ⅳ類、Ⅴ類各占 89%、11%(表 1)。

表 1 沙灣電站隧洞圍巖工程地質(zhì)分類表

2 工程特點與施工難點

2.1 工程特點

巖性主要由灰色、極薄 ～薄層狀碳質(zhì)、鈣質(zhì)、泥質(zhì)板巖或千枚巖組成;擠壓揉皺較強烈,巖體結(jié)構(gòu)屬碎裂結(jié)構(gòu);巖層產(chǎn)狀與洞軸線夾角較小;板巖受水浸泡后迅速軟化,手可掰動,局部手可捏碎搓成泥團(tuán),圍巖自穩(wěn)時間極短;地下水發(fā)育段圍巖變形快,多順巖層及裂隙組合易產(chǎn)生頂拱塌方;受水的侵蝕作用,掌子面超前核心土極易坍塌;板巖或千枚巖受水浸泡后的巖石力學(xué)指標(biāo)低,難以滿足承載力要求,易引起支護(hù)體系沉降、反拱變形等。受地下水的影響,變形問題尤為突出,一期支護(hù)后,圍巖產(chǎn)生底部最大達(dá) 11.29 mm、頂拱沉降最大達(dá) 13.96 mm的收斂變形。

2.2 工程施工難點

(1)施工開挖的支護(hù)人員幾乎站在淤泥土、雨水中作業(yè),施工困難,效率低下。軟巖軟化系數(shù)低,遇水迅速軟化,圍巖開挖后易塌方,施工人員須有豐富的施工經(jīng)驗,根據(jù)掌子面揭露的地質(zhì)情況及時作出準(zhǔn)確判斷,采取相應(yīng)的支護(hù)措施確保已支護(hù)段的洞身安全,否則易引起“關(guān)門”的特大安全事故。

(2)選擇經(jīng)濟(jì)、合理、可靠的超前預(yù)測預(yù)報方法,對施工地質(zhì)條件作出及時、準(zhǔn)確的判斷是最大程度地規(guī)避沙灣水電站隧洞施工風(fēng)險的最有效措施。根據(jù)沙灣水電站隧洞地質(zhì)特征,首先應(yīng)在施工地質(zhì)超前預(yù)測預(yù)報方法的選擇上采取確定圍巖地質(zhì)條件“四結(jié)合原則”,即地表和洞內(nèi)相結(jié)合原則、長距離與短距離相結(jié)合原則、宏觀控制與微觀控制相結(jié)合原則、地質(zhì)法——物探法——導(dǎo)洞法相結(jié)合原則,然后由掌子面出露的圍巖條件篩選預(yù)測預(yù)報方法并預(yù)測圍巖類別,再制定相應(yīng)的開挖支護(hù)施工方法及措施,以保證施工順利進(jìn)行。

3 軟巖施工方案設(shè)計

由所揭示的地質(zhì)和鉆孔情況預(yù)測掌子面前方的圍巖類型,確定其穩(wěn)定性,然后根據(jù)穩(wěn)定類型選取不同的開挖、支護(hù)和控制變形的施工技術(shù)方法。

3.1 圍巖基本穩(wěn)定型(Ⅳ1類)

采用低密度 0.5 g/cm2、低猛度(根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整)、高威力的光面爆破炸藥,周邊孔間距 0.5 m,輔助孔間距 0.6 m,楔形掏槽,非電毫秒雷管加塑料導(dǎo)爆管引爆,全斷面開挖,循環(huán)進(jìn)尺 2 m,φ25,L=4～5 m的隨機錨桿隨掌子面跟進(jìn),φ22,L=3 m@1.5 m系統(tǒng)錨桿和 C20噴混凝土支護(hù)滯后于開挖面并控制在 25～30 m之間,支護(hù)和開挖同步施工既可以加快施工進(jìn)度,又可以控制圍巖變形,確保施工安全。

3.2 圍巖穩(wěn)定性差型(Ⅳ2類)

薄層至中厚層泥、鈣、碳質(zhì)板巖互層結(jié)構(gòu),巖層走向與洞軸線交角較小,且受水的作用局部軟化,手可將其掰成碎片,整體穩(wěn)定性差。針對其特點采用的施工工藝流程:全斷面開挖→C25鋼纖維混凝土封閉掌子面→格柵安裝→超前支護(hù)、鎖腳錨桿施工→噴 C20混凝土。采用新奧法施工,周邊孔間距 0.4 m,周邊孔采取 φ22乳化炸藥隔孔不連續(xù)裝藥。光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)見圖 1。

圖 1 光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

線裝藥密度控制在 50 g/m,耗藥量為 0.6 kg/m3。為減小圍巖變形,首先用鋼釬維混凝土封閉整個掌子面,然后在頂拱輪廓線外 25 cm處120°范圍內(nèi)打兩排 5 m超前錨桿進(jìn)行超前加固,超前錨桿相互搭接長度為 2 m,第一排超前錨桿仰角依據(jù)巖層傾角一般控制在 15°～25°之間,錨桿外露部分與格柵鋼架焊接,薄層狀圍巖通過此排錨桿形成整體。為減少軟巖超挖量,第二排超前錨桿穿過緊鄰掌子面格柵斷面打入巖體,仰角為 5°以內(nèi),通過兩排錨桿串連而成的薄壁梁結(jié)構(gòu)增加了其圍巖抵抗變形能力,加大了開挖單循環(huán)進(jìn)尺,循環(huán)進(jìn)尺在 1.5～2 m之間。格柵鋼架網(wǎng)噴C20混凝土緊隨掌子面,其參數(shù)見表 2。在有水地段進(jìn)行噴射作業(yè)時采取以下措施:改變混凝土配合比,增加水泥用量,先噴干混合料,待其與涌水融合后,再逐漸加水噴射。噴射時,先從遠(yuǎn)離出水點處開始,再逐漸向涌水點逼近,將散水集中,安設(shè)導(dǎo)管,將水引出,再向?qū)Ч鼙平鼑娚?。?dāng)涌水嚴(yán)重時,設(shè)置排水孔,邊排水邊噴射。噴射作業(yè)分段、分片由下而上順序進(jìn)行,每段長度根據(jù)圍巖情況控制在 1～4 m,噴射后 4 h方能進(jìn)行爆破作業(yè)。

3.3 圍巖不穩(wěn)定型(Ⅴ類)

該類型圍巖自穩(wěn)時間極短或爆破后即將產(chǎn)生塌方。影響圍巖穩(wěn)定的主要因素有巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地下水等。采取的施工方法如下:

3.3.1 地下水處理的施工方法

表 2 整體短期穩(wěn)定型施工參數(shù)表

樁號 12+050～12+178、15+858～15+928以線流、面滲和集中涌水的形式出現(xiàn),涌水處流量達(dá) 114 m3/h,水溫 37℃。如此大的滲流量使薄層泥質(zhì)板巖、鈣質(zhì)板巖、千枚巖軟化成泥土,巖體各項力學(xué)指標(biāo)急劇下降,無法保證圍巖穩(wěn)定,施工人員難以進(jìn)入工作面,地下水問題成為開挖成敗的關(guān)鍵。由于采取灌漿堵水的方法對軟巖行之無效,故開挖前在斷面水量集中處用風(fēng)鉆將 φ50花管打入巖體,花管長 4 m,出水口與橡膠軟管相接引排至排水溝,遠(yuǎn)離工作面。

3.3.2 斷層及破碎帶施工方法

由于圍巖為軟巖,開挖頂拱和掌子面存在面狀或線狀滲水,因此開挖后的頂拱極易坍塌。防止坍塌的應(yīng)對策略:(1)自掌子面沿輪廓線向前方巖體內(nèi)打入 φ50@20 m,L=6 m的超前小導(dǎo)管,用支護(hù)好的鋼支撐、打入小鋼管和前方巖體形成的支撐體系臨時共同承受頂部土體壓力,在臨時支撐體系的保護(hù)下采用淺孔小炮或風(fēng)鎬、挖掘機開挖,單循環(huán)進(jìn)尺 0.5～0.8 m;(2)在開挖出的輪廓面上立即噴射厚度為 5～10 cm的鋼纖維混凝土封閉巖面,及時控制圍巖變形;(3)架設(shè)型鋼、打鎖腳錨桿,模噴混凝土封閉頂拱。

3.3.3 地下水發(fā)育 +擠壓揉皺發(fā)育段的施工方法

采用超前勘探、管棚、錨桿、分層分部開挖、型鋼噴混凝土綜合支護(hù)等方法進(jìn)行施工。

(1)掌子面坍塌問題的分析及控制。因掌子面處的地下水較大,呈面狀、股狀滲流,極薄層泥質(zhì)、鈣質(zhì)、碳質(zhì)板巖、千枚巖軟化成糜磷狀,加之前方土體為超前小導(dǎo)管的受力支點,因此,掌子面在水的作用和頂拱土體壓力的共同作用下極易發(fā)生坍塌。只要前方掌子面滑動乃至坍塌過多,則超前小導(dǎo)管前方支點失去作用,導(dǎo)致小導(dǎo)管和頂拱土體隨同掌子面坍塌造成大塌方,所以對掌子面坍塌的控制是施工的關(guān)鍵。在遇到富水的軟巖開挖中,為了避免掌子面發(fā)生滑塌,采用分層分部開挖法,先進(jìn)行上部開挖,每次開挖長度控制在 5 m左右,再開挖兩側(cè),中間留核心土控制前方土體變形,若掌子面出現(xiàn)流土則用巖性較好的洞渣換填核心土反壓,最后施工中間部分的核心土。分層分部開挖情況見圖 2。

圖 2 分層分部開挖法示意圖

(2)初期支護(hù)。①開挖后立即噴射 C20鋼纖維混凝土封閉巖面,周邊巖面噴射厚度 5 cm,掌子面噴射厚度 10 cm,防止圍巖卸荷后遇空氣急劇風(fēng)化,控制圍巖整體變形。②型鋼緊貼巖面支護(hù),型鋼規(guī)格為 I20b工字鋼,型鋼中對中間距可根據(jù)實際情況調(diào)整為 50～80 cm,拱腳、拱肩設(shè)置8根定位錨桿并輔以 φ25,L=4.0 m隨機錨桿進(jìn)行固定支撐。上臺階支護(hù)型鋼時,在型鋼底腳處鋪設(shè)鋼板以增大受力面積,鋼板厚 1 cm,寬 40 cm,縱向鋪設(shè),型鋼之間采用角鋼或 φ25鋼筋三角連接,確保型鋼整體受力。型鋼接腿前需在接腿的下臺階次榀型鋼渣體上打入 φ50小導(dǎo)管,以阻擋前方渣體溜渣引起坍塌。由于軟巖各項力學(xué)指標(biāo)極低,為防止支護(hù)結(jié)構(gòu)受頂部土壓力作用發(fā)生整體沉降變形,采取型鋼底部縱向連接 I20型鋼并澆筑斷面為 40 cm×30 cm C20鋼筋混凝土地梁,型鋼外側(cè)鋪設(shè) φ6.5@20 cm×20 cm網(wǎng)格鋼筋,C20噴射混凝土與型鋼面噴齊平。初期支護(hù)工藝見圖 3。

4 塌方體處理

圖 3 初期支護(hù)工藝圖

在開挖爆破后極短的時間(來不及采取支護(hù)措施)內(nèi)即產(chǎn)生塌方。如進(jìn)入隧洞樁號 12+169～12+178和樁號 15+877～15+885時,掌子面巖體均較好地按原設(shè)計的Ⅳ類圍巖進(jìn)行全斷面開挖施工,開挖進(jìn)尺1.2 m,當(dāng)開挖至樁號 12+170.2和 15+877后幾乎不到 1 h,掌子面即發(fā)生突發(fā)性大坍塌,引起頂部和右邊墻不斷掉塊,右側(cè)鋼拱架嚴(yán)重變形,擠入洞內(nèi) 0.8 m,幾小時后由于不斷掉塊,致使臺架被掩埋,施工受阻無法掘進(jìn)。第一個塌方體雖通過兩天出渣,塌渣仍然充填整個掌子面,塌渣厚度未知;第二個坍塌體渣體清除后,斷面以外空腔體高 9 m。經(jīng)過多方案比較,塌渣覆蓋段采用固結(jié)灌漿、小管棚、留核心土臺階開挖法,空腔地段采用巖面噴網(wǎng)筋混凝土、鋼管空間網(wǎng)架、型鋼模噴混凝土三位一體的支撐體系順利地通過了坍塌體;對軟巖塌方體采取小管棚注漿或小導(dǎo)管梁相結(jié)合的棚架體系進(jìn)行超前支護(hù)、塌腔面采用網(wǎng)架支撐體系等輔助支護(hù)、型鋼梁噴護(hù)混凝土主體支護(hù)工法均有效地控制了結(jié)構(gòu)周邊收斂和頂拱下沉,確保了施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4.1 塌渣覆蓋段施工工藝

(1)灌漿、管棚、型鋼支護(hù)。首先對塌方體格柵或型鋼已襯影響段采取回填和固結(jié)灌漿相結(jié)合的方式以確保工作空間的安全;其次,探明現(xiàn)有塌方體情況,對塌方體掌子面采用梅花形布置灌漿孔,采取小導(dǎo)管進(jìn)行水泥固結(jié)灌漿或水泥砂漿回填灌漿,使其結(jié)構(gòu)斷面以外達(dá)到 5 m厚以上的膠結(jié)體。當(dāng)空腔段灌漿強度達(dá)到 70%以上時,對隧洞范圍內(nèi)塌方的石渣進(jìn)行清運,型鋼支撐跟進(jìn)支護(hù),型鋼支護(hù)不得侵占結(jié)構(gòu)斷面尺寸,型鋼間掛網(wǎng)φ6.5@23 cm×23 cm,噴 25 cm厚鋼纖維混凝土。向前掘進(jìn)采取淺孔小炮,針對不同巖石擬用超前錨桿(輔以隨機錨桿)、小管棚或大管棚、型鋼跟進(jìn)支護(hù)。其施工流程見圖 4。

圖 4 施工工藝流程圖

(2)超前預(yù)支護(hù)。在掌子面拱頂 90°輪廓線外 20 cm施打兩排超前小導(dǎo)管,排距 20 cm,梅花形布置,鄰近輪廓線的第一排仰角 1°左右,導(dǎo)管內(nèi)穿一根鋼筋以加大導(dǎo)管的抵抗矩,增大導(dǎo)管的梁效應(yīng);另一排仰角約 10°,每排間距 30 cm,前后兩個循環(huán)之間搭接長度 2.0 m,通過小導(dǎo)管灌漿形成 1.5 m厚的漿土結(jié)合體并有一定承載力的護(hù)拱圈,臺階法開挖中留有核心土控制前方土體不滑動或坍塌,控制小管棚前方土體支點的變形,改善小管棚的受力條件,上臺階循環(huán)進(jìn)尺 0.5 m,初噴混凝土厚 5 cm,具體支護(hù)參數(shù)見表 3,超前支護(hù)方式見圖 5,網(wǎng)架支撐體系結(jié)構(gòu)見圖 6。

4.2 空腔塌方體處理

先噴 8 cm厚 C20鋼纖維混凝土封閉塌腔面,在確保安全的前提下進(jìn)行 I20b@80 cm型鋼加強支護(hù),型鋼支護(hù)盡量緊貼巖面并模噴 30 cm厚C20混凝土,對未達(dá)到巖面的部位采用 φ80鋼管支撐,鋼管之間采用鋼筋縱橫連接,形成空間網(wǎng)架受力體系,緊貼鋼纖維混凝土表面沿斷面方向設(shè)置環(huán)向 φ22鋼筋與鋼管頂部相接,環(huán)向鋼筋外側(cè)設(shè)置 φ6.5@25 cm×25 cm網(wǎng)格鋼筋,然后在鋼纖維混凝土表面加噴 10 cm厚常態(tài) C20混凝土,使巖面網(wǎng)噴混凝土、鋼管空間網(wǎng)架、型鋼模噴混凝土形成三位一體的支撐受力體系,共同承受塌腔面頂部荷載。

表3 超前預(yù)支護(hù)參數(shù)表

圖5 超前支護(hù)示意圖

5 施工期安全監(jiān)測

施工期間采用信息化監(jiān)測手段以保證隧洞施工安全,主要對圍巖進(jìn)行變形觀測,監(jiān)測儀器主要采用 TR702全站儀和數(shù)字水準(zhǔn)儀等。量測斷面縱向間距設(shè)置:Ⅳ1類圍巖 150 m,Ⅳ2類圍巖 50 m,Ⅴ類圍巖 10 m。施工過程的監(jiān)測項目見表 4,隧洞周邊位移和頂拱沉降情況見表 5。

圖6 網(wǎng)架支撐體系結(jié)構(gòu)示意圖

表 4 施工監(jiān)測項目一覽表

表 5 隧洞周邊位移和頂拱沉降值表

6 結(jié)語及體會

在地下水豐富的軟巖洞段采取小管棚超前支護(hù)時應(yīng)采用臺階開挖法以降低開挖高度,減小圍巖壓力;爆破后隨即初噴 5～10 cm厚的 C20鋼纖維混凝土封閉周邊及掌子面可減小圍巖松動圈。

在處理塌方體或不穩(wěn)定圍巖施工中,采取小管棚超前支護(hù)時,采用了兩排小導(dǎo)管,第一排小導(dǎo)管施作梁效應(yīng),第二排小導(dǎo)管施作灌漿加固。只要將間排距控制在 30～40 cm之間,前后管棚搭接長度大于 1.5 m,均能通過不良地質(zhì)段;采用小管棚施工工藝,避免了大管棚施工工藝的高成本投入,可取得良好的綜合性價比。

變形是軟巖隧洞的特性,尤其是地下水豐富的千枚巖、泥質(zhì)板巖支護(hù)段變形量更大,因此,開挖施工斷面應(yīng)適當(dāng)放大 5～10 cm左右,否則變形后侵占結(jié)構(gòu)斷面較多,影響支護(hù)質(zhì)量。

軟巖施工中應(yīng)特別注意反拱變形,隧洞底部的變形易使剛性或柔性的邊頂拱初期支護(hù)產(chǎn)生貫通裂縫,甚至脫離巖面失去支護(hù)作用。為了避免產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患,可采用以下兩種方法:(1)沿著剛性或柔性的環(huán)向支撐打系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿;(2)在剛性或柔性支撐底部挖槽澆筑縱梁混凝土或?qū)位炷亮骸?/p>